聊聊GIS数据的四个分层与GIS服务

本篇不讨论矢量栅格数据的结构，也不讨论矢量与栅格的区别（即设定读者有这方面的基础）。

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本文系概念性很强的博客，但对GIS项目有帮助，对在读的学生也有一定帮助。

尽管从物理的角度，只有独立数据文件（shp、geojson、tif等）或者数据库（esri geodatabase的gdb、geopackage等）这两种

但是，从学科角度，即从GIS的视角看，地理数据并没有那么简单。

为解释简便，使用shapefile、geojson、tif栅格和gdb、postgis，辅助ArcMap/QGIS 3.10做解说。

1. 术语及概念定义

① 地理数据

地理数据=空间数据+非空间数据；也叫地理信息。例如：一座医院；一所学校；一条道路；一条河流

② 空间数据

即几何数据，描述坐标、形状的数据；也叫空间信息。例如：形状、坐标

③ 非空间数据

即属性数据，描述与空间位置无关的一类数据。例如：成绩单、医院名称列表

这类数据的特点是，如果脱离了地理位置也有它本身自己的含义。

2. 矢量数据的四个分层

不妨这样想：每一层均为子一层的容器。大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米。

2.1. 几何/属性层

这是矢量数据的最底层，有两个类别：几何层或者属性层。

前阵子写了一系列坐标系有关的博客，我们假定在某个坐标系下，存在某个点P(x0，y0)，这个点在这个确定的坐标系下，就是独一无二的。

那么，如果这个点代表的是一个咖啡店，仅仅知道这个点的坐标(x0，y0)是不够的。

不同的用户关心不同的信息，有人关心这个店的电话号码，有的人关心它所在的城市和行政区，有的人关心它的地址，有的人关心它的人均消费。

这个时候，信息就可以分化成两个种属：几何的，属性的。

• 我们说表征位置信息的坐标数据（或者多个坐标构成的线、面），叫几何数据。
• 除了几何数据，都叫属性数据。

上大学的时候，系主任说：地理数据区别于其他行业的数据，最大的区别是它具有空间数据！

我们刚明确了几何数据是什么，属性数据是什么，那么多出来的一系列名词又是什么？

做以下规定：

• 地理数据=几何数据+属性数据=空间数据+非空间数据
• 几何数据=空间数据
• 属性数据=非空间数据

这样就不乱了。默认使用“地理数据=几何数据+属性数据”这个表达。

2.1.1. 案例讲解--geojson

现在讲概念其实很枯燥，那么一个具体的矢量数据文件，比如geojson或者shp，如何判断哪些是几何数据，哪些是属性数据呢？

我们取一个geojson文件，只有一个点，没有属性数据。它在QGIS里长得像这样：

它数据长这样：

是WGS84下的一个点，在广州城区。

我们可以很快聚焦到"geometry"这个键上，它下列有两个子键"type"和"coordinate"，这两个子键的值就是这个geojson矢量数据的几何信息。

读者可以想象得到，如果type是“LineString（即多折线）”，那么coordinate将是一堆折线段的集合。

如果是Polygon：

geometry的值的的确确就是上面提及的“表征位置信息的坐标数据”。

我编辑了一下只有一个点的geojson，使其拥有三个属性数据：所在城市是"Guangzhou"，编辑者是"秋意正寒"，邮政编码是"510000".

属性表长这样：

文本变成了这样：

我们不难看到，和geometry键并列的多了一个键："properties"。

它翻译过来就是属性的意思（别的数据格式可能叫“attributes”）

我们看到了在geojson中，“几何层”、“属性层”是如何组织的。

2.1.2. 案例讲解--shapefile

shp文件至少要有3个文件构成，*.shp、*.shx、*.dbf

因为这些是二进制文件，不能用文本格式查看，所以直接给出结论：

*.shp文件记录的是几何数据

*.dbf文件记录的是属性数据

*.shx链接二者是索引数据

我们将2.1.1中的geojson文件在QGIS中导出shp并在ArcMap里打开其属性表：

发现多了两列属性，其中Shape属性无论给这个shp文件加多少个点，它的值在ArcMap属性表里的都是一个汉字“点”。

而且，FID和Shape属性是无法在属性表里编辑的。

实际上，这个Shape属性列，就是几何数据，ArcMap把它“写”在了属性表而已。我们编辑它还是得靠编辑工具。

ArcMap的属性表通过“显示”Shape列，告诉用户几何数据和旁边city、editor、adcode三列是并排的。

也即“几何数据”、“属性数据”是同级别的数据，只不过几何数据可能很复杂，在属性表上一个格子写不完，就干脆写个汉字。

实际在ESRI的体系中，几何的表达比OGC的表达更为精妙复杂。

因为深入需要研究ArcPy或AO代码，有一定难度，故不展开。读者只要能读懂“几何”“属性”是并列的两个数据层即可。

2.2. 要素层

要素层很简单。

先下定义：一个要素表示一个地理实体，一个要素有其自己的几何数据和属性数据。

我们依旧是上面的点json来讲解。

不难看到，properties和geometry键都是"features"这个数组的某个元素下的子键，这里的某个元素，就是要素。

也即，{"type": “Feature”, ...}就是一个"feature"，一个要素。

由于有了几何和属性的分割，一个要素当然可以有n个属性，一个要素的几何也可以是n个点/线/面构成的复杂几何图形。

n个属性好理解，n个点/线/面构成的复杂几何图形又是什么意思呢？

这里不再展开描述，有兴趣的朋友可以去参考ogc的Geometry标准，它规定了几何体的复杂构成。以后有机会一定会写一篇ogc标准下的geometry标准。

我们注意到了，"features"下的每个要素的properties的子键都是一样的（名称、类型）。

2.3. 数据层

还是以上文的geojson为例。

我们说，

n个具有共同类型和数量属性的"feature"（即每一个feature的"properties"的子键名称一致，类型一致），加上一些元数据（坐标系信息，四至等，每种数据格式不太一样），构成一个矢量数据。

这个矢量数据已经上升到磁盘文件级别了，我们为了复用，不可能一个一个要素分别存在独立的文件里的，因为属性的数量、类型一致，所以要素可以存在一个文件（或者容器）里。

我们把这个容器所在的级别，叫做“数据层”。

我为什么不说一个矢量数据文件（例如一个json文件，一份shp文件）就是一个“数据层”的实现呢？

因为，一个矢量数据固然可以是一个geojson文件，一个shp文件（由多个同名子文件组成），一个gml文件，一个csv文件...当然一个矢量数据也可以是数据库里的一个表，或者一个要素类（ArcGIS里的gdb）。

我们讨论的是“分层”，而不是物理文件构成。

通常来说，我们传递的数据大多数处于数据层。比如，我们传递一个“中国省级行政区划”的shp文件，或者传递一个“广州市医疗机构点位”的geojson文件。

我们很少传递一个“要素”，传递一个“几何面”——代码层面除外。

plus 数据层（Data）为什么不叫图层（Layer）

我们把一个矢量数据（geojson/shp/数据库里某张地理数据表等）拖到任何一个GIS客户端软件中，一定能看到它的样子，软件会给我们画出来，它这个时候，叫做“图层”。

因为数据和图层分担着各自不同的任务，图层负责渲染、显示数据，数据被图层引用。一个数据是可以被多个图层引用的。

这就好比，账本专心管理财务流水，报表ppt专心负责回报财务流水的各种趋势比例。

我们GIS软件依靠图层将数据符号化，比如给某个点数据设定了符号是一个尺寸是15的红色五角星，给某个线数据设定了标注是它的“name”字段，通过图层查看一个数据的元数据等...

2.4. 地图层

什么是地图层？

我们有了数据层，就可以进行地理数据的分析、展示、交互了。

我们为了组织起地理数据，需要将数据排列顺序，符号化，设计出一张地图。

地图这一层包括了n个数据（也即n个图层，每个图层引用一份数据）。

当然，我们还可以为数据做分组。

我们知道ArcMap中，有个“数据框”的概念，其实一个数据框就是一个地图，数据框就是地图层这一级别的容器。

大家可能看中国地图会观察到右下方通常会有一个“南海诸岛图”，其实中国大陆主体地区和右下方的“南海诸岛图”用两个数据框就可以表示了。

事实上，QGIS也有一样的概念，在布局窗口中，我们可以插入一个地图：

同样能做到“南海诸岛图”和大陆图在同一个布局里显示的效果。这里插入的“地图”就是“地图层”的一个活生生的案例。

plus：

GIS客户端软件会使用“工程文件”的手段，把n个“地图”包裹在一起。QGIS使用*.qgz文件，ArcMap使用mxd文档，ArcGISPro使用arpx文件。

3. 栅格数据的四个分层

栅格数据和矢量数据当然是有区别的，但是，在概念上可以归一。

3.1. 位置/属性

在栅格中，几何图形所代表的空间数据被像元的中心坐标值代替了，该像元的像元值即属性值。

我们知道，栅格数据可以是单波段也可以是多波段，可以是浮点数栅格也可以是整数栅格。

栅格数据可以代表的地理数据种类比较多，以单波段数据为例，整数栅格有属性表，可以添加多列属性（即给不同的像元值赋予不同的意义），浮点栅格则不行。

多波段则能实现“同一个像元坐标”“n个像元值”，并且每个像元值独立，不受整数或者浮点数影响。

3.2. 像元层

像元，包括像元分辨率、像元中心坐标和像元值三大主要数据。

像元层并不像矢量中的要素层表意那么直接，因为单像元表达的地理实体不如一个要素强。但是，多个像元是可以做到一个要素的表达效果的。

比如，在DEM栅格数据中，一个像元可以概括表达这个像元面积这么大的地方的海拔高度。多个连片的像元可以构成一块地区的地形。

但是，和要素层的核心要义是一样的，像元层和要素层都能表达地理实体，把像元的三大主要数据孤立讨论，是不能表达地理实体的。

3.3. 数据层

数据层和矢量数据的数据层类似，为n个呈矩阵排列的像元构成的图像。

这个图像可以是一层，也可以是多层叠加，只要保证像元中心坐标一致、像元分辨率一致即可。

数据层的物理形式比较简单，除了一些元数据外（坐标系什么的），就是一个体积比较大的数据文件，或者在数据库里的一张表或者一个栅格数据集（Esri gdb）。

若为一个单文件，常见的GIS数据格式为tif，尽管jpg/png/bmp等传统图片格式也可以称作栅格数据，但是它们设计的初衷并不是GIS应用。

在GIS数据服务中，栅格数据切片可以是jpg/png，因为便于网络传输和显示。

3.4. 地图层

地图层与矢量数据的地图层一致，都为n个栅格数据按一定顺序、符号化构成。

4. GIS数据服务是什么

4.1. GIS服务器

GIS服务，与普通网络服务是一样的。

• 普通Web服务器提供网络服务，使得我们可以上网冲浪
• GIS服务器提供GIS数据服务，使得我们可以遵循某些规范访问地理数据或者地理服务

我们常见的Web服务器软件，有IIS、Apache、Nginx、tomcat等，也可以用Java/nodejs等工具语言编写自己的服务器后台软件。

GIS服务器软件基于HTTP等协议（做webgis的，如果连http协议都不知道，建议先补补课），也有一些受欢迎的：开源的GeoServer、MapServer，商用的Esri的ArcGIS Enterprise套件等。

GIS服务器可以是独立的软件，也可以是某个Web服务器的一个插件。例如，ArcGIS Enterprise套件就是自成一家，GeoServer就是Tomcat的一个war包插件。

Q：GIS数据一定要放在GIS服务器上吗？

A：不一定。诸如geojson这样的文本类型数据，可以直接放到普通web服务器上，通过http的get或post请求交换数据；诸如gltf、3dtiles三维数据，开源服务器尚未支持三维服务，OGC组织也没有3DGIS服务规范，只好放在普通web服务器上。但是，成熟的二维数据，做成GIS数据服务是有利于前端开发者进行调用、渲染、数据查询、云处理的。

4.2. GIS数据服务

扯了半天，那什么是GIS服务呢？

通常来说，我们说的GIS服务就是GIS数据服务。但是，其实GIS服务还可以提供计算服务，也即GIS处理服务，作为4.3的内容讲解。

OGC中数据服务有很多，只挑一些常见的带过，具体怎么用还是得靠读者进一步阅读更多的资料，本文的重点仍旧是上面的四层概念。

GIS服务扮演的角色，更像是WebGIS中对GIS数据和用户交互之间的一个桥梁，它规范并限制了请求端的操作。

GIS数据服务应该属于“地图层”这一层级，因为它可以包括多个数据（图层）。

4.2.1. 提供访问地理数据的网络地图服务——WMS

WMS，Web Map Service，网络地图服务。

一个WMS是一个“地图层”的实现，只不过限制了网络请求的功能。

它允许将n个数据发布成一个“GIS服务”，1个数据被叫做1个图层，因为要对web提供访问，所以用图层这种带符号化的形式来描述“数据层”比较合适。

它提供了以下几大功能，有兴趣的朋友可以参考博客园李晓晖的博客，或者直接查阅OGC官方文档（列在参考文档中了）：

• GetCapabitities（返回服务级元数据）
• GetMap（获取地图图像）
• GetFeatureInfo（返回识别的要素信息）

第一个没什么好说的。

第二个获取的是给定参数（比如范围、返回图像的格式等）的地图图像，和截图差不多。

第三个功能，说大白话就是“点击地图，根据点位获取指定图层上的要素”。

4.2.2. 提供增删改查矢量数据的网络要素服务——WFS

WFS，Web Features Service，网络要素服务。

WFS强化了WMS中关于矢量数据的访问，提供了增加、修改、删除、查询矢量要素的功能。

WMS对矢量数据的查询，局限在了“识别”这一功能上。

我们从功能上就能看出，WMS有一个功能是“getFeaturesInfo”，而WFS直接给出了"getFeature"、“Transaction”等功能。

WFS的主要功能如下：

• GetCapabitities（获取这个服务的元数据）
• DescribeFeatureType（获取这个服务上要素的元数据）
• GetFeature（获取要素）
• Transaction（对要素进行增删改）

GetCapabitities和DescribeFeatureType的区别在于，前者描述整个服务，后者聚焦于矢量数据的元数据。

GetFeature既可以使用get请求，也可以使用post请求。无论get请求还是post请求，都可以使用过滤条件，过滤一些不满足给定条件的矢量数据。

Transaction使用post请求，将指定格式的xml请求到gis服务器上。

WFS要求服务的接口必须由XML描述，另外数据交互必须由GML（一个OGC矢量数据格式规范）迚行，数据过滤采用CQL语言。

4.2.3. 网络覆盖服务——WCS

WCS标准定义了一些操作，这些操作允许用户访问“Coverage”数据，如卫星影像、数字高程数据等，也就是栅格数据。

有矢量就有栅格，与WFS形成对比，WCS的C，就是栅格数据的意思。

WCS也有几个功能：

• GetCapabilities（获取服务的元信息）
• DescribeCoverage（获取Coverage的描述信息）
• GetCoverage（获取Coverage）

4.2.4. WMS的变种：网络地图切片服务——WMTS

WMS能给前端返回一张位图，和我们在GIS软件里对一个地图直接截个图（不经过制图）类似。

如果这张位图体积过大或者网络传输不好，那么极有可能前端是拿不到的，就渲染不出来。

分治思想刺激WMS演进，即WMTS，原理很简单，即把这张位图实现按网格切好，在不同的分辨率下，把这些切好的图（都缓存在地理服务器上）按前端指定的范围，挨个传递。

这样，一张小图可能体积并不大，保证了前端的体验。

4.2.5. 三维场景服务

迄今为止并未有三维地理数据服务标准，只有三大地理三维数据格式标准：

• i3s
• 3dtiles/gltf
• s3m

其中，前两个被ogc承认，且主推i3s。

i3s由Esri（就arcgis家）主推，以slpk文件为交互文件，在自家的ArcGIS Enterprise服务器生态中，已经研发出“SceneService”这种GIS商业数据服务了。

3dtiles是ogc的一个标准，是i3s的主要竞争对手。

gltf，号称是三维数据界的jpg，目前（发文时间2020年初）开源的商业的gis服务器尚未支持三维服务，cesium自己是直接前端调用gltf文件创建视图。

s3m是国内北京超图主推的一个标准。

i3s、gltf、s3m三者共同的特点是用树结构来组织数据，用json文件描述数据，用二进制文件来存储具体数据。

4.3. GIS处理服务

遵循一种规范，可以将繁重的处理任务交由服务器运行，然后根据规范，将处理结果返回给前端。这在普通的web服务中是理所当然的事情，只不过加上GIS数据这个壳儿，事情就变得有点复杂了起来。

其实OGC组织是有这么一个规范的，叫WPS——Web Process Service。

Web 处理服务 （WPS） 是用于发布地理空间过程、算法和计算的 OGC 服务。

WPS 服务可作为GIS服务器的扩展，为数据处理和地理空间分析提供执行操作。

默认情况下，WPS 不是 GeoServer 的一部分，但可作为扩展提供。

Esri ArcGIS Enterprise中的Server和Portal都原生支持了WPS，并且有比WPS更强大的GP服务。

有关WPS在GeoServer上的资料，参考各大博客和文末的参考文档。

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GIS服务器有商业也有开源，对OGC的多个服务支持也各有千秋，本文仅作简略介绍，而且有标准文档、各路案例博客资料，想必可以不再发文描述。

读者更应该关注的是本文提出的“四层概念”，多思考多比对。

在本篇中的四层概念合适套用在二维数据或者三维数据上，至于i3s标准下的slpk和3dtiles、gltf数据并不太适用，那些更合适网络分发，毕竟官方提及，slpk不适合再进行编辑。

参考文档

[1] GeoServer中WMS、WFS的请求规范 . 李晓晖. https://www.cnblogs.com/naaoveGIS/p/5508882.html

[2] OGC标准介绍. 吴泳锋 [M] warrenwyf@gmail.com

[3] GeoServer WPS文档 https://docs.geoserver.org/latest/en/user/services/wps/index.html

[4] OGC标准介绍 5 . https://blog.csdn.net/warrenwyf/article/details/5717612

[5] OGC标准介绍. https://blog.csdn.net/lavanana/article/details/93975949